量子信息的过去、现在和未来(6)

例如，出于对更精确时钟的探求，人们已经开发出了利用激光场冷却和操纵单个带电原子的工具，这引出了离子阱量子处理器[43,44]。约瑟夫森结（一种超导电路中的非线性元件，可用于高精度磁场强度计）引出了超导量子处理器[45-47]。纳米级电路的经验引出了隔离和操纵单电子自旋的能力[48,49]。高效率单光子源和探测器为基于光子学的处理器开辟了可能性[50]。捕获和冷却中性原子的方法引出了强相互作用量子物质的可调模拟[51,52]。后来，光镊为基于高激发中性原子阵列构建可编程模拟器提供了机会[53-56]。量子硬件的这些和其他方法仍在开发中，并在稳步推进。
目前最先进的两种量子计算技术是离子阱[3,57]和超导电路[4,58]。在离子阱中，每个量子比特都是携带单个电荷的原子，它可以处于基态或长寿命激发态。数十个量子比特可以存储在一个线性阵列中，态制备、读出和单比特量子门都可以通过将稳定的激光加在一个离子上实现。为实现纠缠的双量子比特门，人们用激光场操纵阱中离子的简正振动模式——双量子比特门可以在几十微秒内对任意一对离子执行。
为了扩展到更大的系统，我们设想一些模块化的捕获区域，它们通过光学互连或将离子从一个捕获区域运送到另一个捕获区域的方式连接在一起。
在超导量子计算机中，大约100个量子比特可以排列在二维阵列中，量子比特之间有最近邻耦合。这些量子比特（称为transmon）实际上是人工原子，必须精细制造并经常校准。人们通过将transmon耦合到微波谐振腔的方式读出transmon，而单比特量子门则通过将微波脉冲加在量子比特上来执行。双量子比特门可以通过许多方式实现，例如，通过将一对量子比特的频率调整到谐振和非谐振，或者以一个量子比特的频率驱动另一个量子比特。一个双量子比特门需要几十纳秒。
为了扩展到更大的系统，人们必须解决处理大量微波控制线的挑战，并提高量子门保真度，而更好的材料、制造质量和可能的新颖量子比特布局都会对此有所帮助。
到目前为止，量子处理器已经发展到可以执行经典计算机难以模拟的任务的阶段。特别是可以从随机选择电路的输出概率分布中采样，该电路包含60个量子比特和超过20个纠缠双量子比特门周期[59-61]。尽管这项具体任务本身不具有实际意义，但这类实验是有用的。它们提供了电路保真度的新基准，巩固了我们对电路噪声的全局特征的理解，并激发了对经典模拟方法的改进[62]。